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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Beispielsweise die
DE 103 46 205 A1 beschreibt eine Sensoranordnung zur Befestigung eines Heißgassensors, beispielsweise zur Messung einer Eigenschaft des Abgases einer Brennkraftmaschine. Die Sensoranordnung umfasst neben dem Heißgassensor eine Befestigungsvorrichtung, mit der der Heißgassensor an einer Haltestruktur, beispielsweise an einem Abgasrohr einer Brennkraftmaschine, so befestigt werden kann, dass der Heißgassensor in Einbaulage in den Heißgas führenden Bereich hineinragt. Hierzu verfügt die Befestigungsvorrichtung über einen kurzen Rohrabschnitt und einen an den Rohrabschnitt angeformten Befestigungsabschnitt, welcher zur Befestigung der Befestigungsvorrichtung an der Haltestruktur, also beispielsweise am Abgasrohr, dient.
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Offenbarung der Erfindung
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Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch eine Sensoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen genannt. Darüber hinaus finden sich für die Erfindung wesentliche Merkmale auch in der nachfolgenden Beschreibung und in der beigefügten Zeichnung. Dabei können diese Merkmale für die Erfindung sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen wesentlich sein, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen werden wird.
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Die erfindungsgemäße Sensoranordnung umfasst einen Heißgassensor und eine Befestigungsvorrichtung zur Befestigung des Heißgassensors an einer Haltestruktur. Bei dem Heißgassensor kann es sich beispielsweise um einen Temperatursensor oder um eine Lambdasonde handeln. Bei der Haltestruktur kann es sich beispielsweise um ein Abgasrohr einer Brennkraftmaschine handeln. Die Befestigungsvorrichtung umfasst einen Rohrabschnitt und einen an den Rohrabschnitt angeformten Befestigungsabschnitt. Der Rohrabschnitt kann beispielsweise einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, grundsätzlich ist aber auch ein mehreckiger Querschnitt denkbar. Längs der Länge ist der Durchmesser des Rohrabschnitts üblicherweise konstant, es sind jedoch auch Ausgestaltungen denkbar, bei denen sich der Durchmesser des Rohrabschnittes über seine Länge verändert. Gleiches gilt auch für die Wanddicke des Rohrabschnittes.
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Der Heißgassensor ist in einem Ruhezustand wenigstens im Wesentlichen koaxial zum Rohrabschnitt angeordnet und wenigstens bereichsweise in dem Rohrabschnitt so aufgenommen, dass zwischen dem Heißgassensor und dem Rohrabschnitt wenigstens bereichsweise ein Spalt vorhanden ist. Der Spalt dient zum thermischen Schutz des Heißgassensors. Der Befestigungsabschnitt dient zur Befestigung der Befestigungsvorrichtung an dem Halteabschnitt. Der Rohrabschnitt ragt von dem Befestigungsabschnitt in Einbaulage in einen Heißgas führenden Bereich hinein. Erfindungsgemäß ist der Heißgassensor nur im Bereich eines abragenden Endes des Rohrabschnitts mit diesem verbunden.
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Erfindungsgemäß ist die Stelle, an der der Heißgassensor mit der Befestigungsvorrichtung verbunden ist, von der Stelle, an der die Befestigungsvorrichtung mit der Haltestruktur verbunden ist, entfernt angeordnet und somit von dieser zumindest in einer gewissen Weise entkoppelt. Durch diese Ausgestaltung der Befestigungsvorrichtung, die im Übrigen auch als Befestigungsflansch bezeichnet werden kann, werden im Betrieb auftretende Spannungen von der Verbindungsstelle des Heißgassensors mit dem Rohrabschnitt ferngehalten.
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Dies hat erstaunlicherweise eine vergleichsweise hohe Dämpfung von Schwingungen zur Folge, also einen im Vergleich zu herkömmlichen Ausgestaltungen reduzierten Q-Faktor. Physikalisch hängt dies unter anderem damit zusammen, dass ein Energieabbau durch elastische Verformungen des Rohrabschnittes zugelassen wird. Im Endeffekt wird hierdurch die Belastbarkeit der Befestigungsvorrichtung und somit der gesamten Sensoranordnung erhöht, so dass eine höhere Schwingungsamplitude des Rohrabschnittes zulässig wird.
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Dabei ist der Abstand in axialer Richtung des Rohrabschnittes gesehen zwischen der Stelle der Verbindung des Heißgassensors mit dem Rohrabschnitt und der Stelle, an der der Befestigungsabschnitt an der Haltestruktur anliegt, zusammen mit der Wandstärke des Rohrabschnittes und der im Betrieb auftretenden Temperatur wesentlich für die von der Sensoranordnung dauerhaft ertragbare resultierende Amplitude in Resonanz, bei der die maximalen Spannungen auftreten. Dieser Abstand darf insoweit nicht zu gering aber auch nicht zu groß sein.
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In einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Sensor mit dem Rohrabschnitt mittels einer Verschweißung, insbesondere einer Laser-Verschweißung, verbunden ist. Eine solche Verschweißung ist insbesondere bei der hier vorliegenden Hochtemperaturanwendung eine sehr dauerhafte Methode der Verbindung, die darüber hinaus einfach hergestellt werden kann. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Verschweißung mittels eines Lasers hergestellt wird.
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Im Hinblick auf das gesamte dynamische Verhalten der Sensoranordnung und auf deren Dauerfestigkeit hat es sich als besonders günstig erwiesen, wenn eine Breite einer Schweißnaht der Verschweißung, also eine Erstreckung in axialer Richtung des Rohrabschnittes, größer ist als 0,2 mm, vorzugsweise ungefähr 0,3 mm beträgt, und wenn eine Tiefe der Schweißnaht, also eine Erstreckung in radialer Richtung, größer ist als 0,2 mm, vorzugsweise ungefähr 0,3-0,4 mm beträgt.
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Ebenfalls günstig für das gesamte dynamische Verhalten der Sensoranordnung und für deren Dauerfestigkeit ist es, wenn die Befestigungsvorrichtung aus einem Stahl der Sorte 1.4571 hergestellt ist.
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Vorgeschlagen wird auch, dass der Heißgassensor in Einbaulage aus dem Rohrabschnitt heraussteht und so in den Heißgas führenden Bereich hineinragt. Dies beeinflusst die Messdynamik des Heißgassensors in günstiger Weise.
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Ferner ist möglich, dass der Spalt zwischen Heißgassensor und Rohrabschnitt so gewählt wird, dass der Heißgassensor den Rohrabschnitt im Betrieb bei auftretenden Vibrationen bereichsweise berührt. Hieraus ergibt sich der überraschende Effekt, dass zusätzlich aufgrund der auftretenden Reibung zwischen Heißgassensor und Rohrabschnitt, verursacht durch das Abgleiten der beiden runden Körper ineinander, die Dämpfung erhöht bzw. die Amplitude beschränkt wird. Im Ergebnis wird hierdurch der Q-Faktor reduziert, und es werden die Amplituden und die Spannungen reduziert.
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Konkret hat sich dabei herausgestellt, dass es besonders günstig ist, wenn der Spalt in einem Ruhezustand der Sensoranordnung in einem Schweißbereich maximal 50 µm beträgt, vorzugsweise 35-50 µm beträgt, und in einem Bereich außerhalb des Schweißbereichs kleiner ist als 150 µm.
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Vorgeschlagen wird ferner, dass ein Bereich, in dem der Heißgassensor mit dem Rohrabschnitt verbunden ist, ungefähr 3-15 mm, stärker bevorzugt ungefähr 6-9 mm von einem Auflagebereich, in dem der Befestigungsabschnitt an der Haltestruktur aufliegt, entfernt liegt. Auch dies sind Werte, die sich im Hinblick auf die Dämpfung von Schwingungen und eine gewünschte Reduktion der Schwingungsamplitude für den gewünschten Einsatzzweck als besonders günstig herausgestellt haben.
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Gleiches gilt für eine Wanddicke des Rohrabschnitts, wenn diese kleiner ist als ungefähr 0,5 mm, vorzugsweise ungefähr 0,2-0,5 mm beträgt, sowie für einen Innendurchmesser des Rohrabschnitts, wenn dieser ungefähr 5 mm beträgt.
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Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
- 1 einen schematischen Schnitt durch ein Abgasrohr einer Brennkraftmaschine mit einer Sensoranordnung;
- 2 einen vergrößerten Schnitt durch die Sensoranordnung von 1; und
- 3 eine Seitenansicht auf die Sensoranordnung von 2.
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Eine Sensoranordnung trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie umfasst einen Heißgassensor 12 sowie eine insgesamt aus einem Stahl der Sorte 1.4571 hergestellte Befestigungsvorrichtung 14. Mittels der Befestigungsvorrichtung 14 ist der Heißgassensor 12 an einer Haltestruktur, vorliegend an einem Abgasrohr 16 einer nicht weiter dargestellten Brennkraftmaschine, befestigt. Bei anderen, nicht dargestellten Ausführungsformen handelt es sich bei der Haltestruktur nicht um ein Abgasrohr einer Brennkraftmaschine, sondern beispielsweise um ein Abgasrohr einer chemischen Anlage oder einer Heizungseinrichtung.
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Bei dem Heißgassensor 12 kann es sich ganz allgemein um einen Sensor handeln, der eine physikalische Eigenschaft eines in dem Abgasrohr 16 strömenden heißen Gases erfasst. Beispiele für eine solche physikalische Eigenschaft sind eine Temperatur oder auch ein Lambdawert. Bei dem Heißgassensor 12 kann es sich also beispielsweise um einen Temperatursensor oder um eine Lambdasonde handeln.
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Ein durch das Abgasrohr 16 strömendes heißes Gas ist in 1 durch Pfeile 18 angedeutet. Der Heißgassensor 12 ist mittels eines Anschlusskabels 20 mit einer Elektronikeinheit 22 verbunden. Bei dieser kann es sich um einen Signalwandler handeln oder um eine Auswerteeinrichtung oder um einen kombinierten Signalwandler mit Auswerteeinrichtung, oder ähnliches.
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Die Befestigungsvorrichtung 14 weist einen Rohrabschnitt 24 und einen an den Rohrabschnitt 24 angeformten Befestigungsabschnitt 26 auf. Der Rohrabschnitt 24 wird vorliegend durch ein zylindrisches dünnwandiges Rohr gebildet. Er hat einen in axialer Richtung gesehen gleich bleibenden Durchmesser, einen kreisförmigen Querschnitt und eine gleichbleibende Wanddicke. Bei einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform könnte der Querschnitt auch ein mehreckiger Querschnitt sein, der Durchmesser könnte in axialer Richtung gesehen veränderlich sein und auch die Wanddicke könnte in axialer Richtung gesehen veränderlich sein.
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Der Befestigungsabschnitt 26 ist als ein vom Rohrabschnitt 24 nach radial außen abragender und in Umfangsrichtung umlaufender Bund ausgebildet und einstückig mit dem Rohrabschnitt 24. Eine zum Rohrabschnitt 24 hin weisende Auflagefläche 28 des Befestigungsabschnitts 26 liegt plan auf einer komplementären ebenen Außenfläche 30 des Abgasrohr 16 an, die auf einer Außenseite 32 des Abgasrohrs 16 ausgebildet ist. Die Auflagefläche 28 bildet insoweit einen Auflagebereich, in dem der Befestigungsabschnitt 26 an der Haltestruktur, nämlich dem Abgasrohr 16, aufliegt. In der in den 1 und 2 gezeichneten Einbaulage ragt der Rohrabschnitt 24 durch eine Öffnung 34 in der Wand des Abgasrohrs 16 in das Innere 36 des Abgasrohrs 16 und damit in einen Heißgas führenden Bereich hinein. Dabei ist zwischen der Öffnung 34 und dem Rohrabschnitt 24 ein Spalt 38 vorhanden. Grundsätzlich denkbar wäre auch, dass die Anlagefläche 28 entsprechend der Außenseite 32 des Abgasrohrs 16 zylindrisch gekrümmt ist, die Außenfläche 30, an der die Auflagefläche 28 anliegt, also nicht eben ist.
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Zu der Befestigungsvorrichtung 14 gehört auch noch ein Schraubabschnitt 40, mit dem die Befestigungsvorrichtung 14 und somit insgesamt die Sensoranordnung 10 an dem Abgasrohr 16 lösbar befestigt werden kann. Die hierzu erforderlichen zusätzlichen und zu dem Schraubabschnitt 40 komplementären Teile sind in den Figuren nicht gezeichnet.
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Ein vom Befestigungsabschnitt 26 abragendes Ende des Rohrabschnittes 24 ist mit dem Bezugszeichen 42 gekennzeichnet. Der Heißgassensor 12 ist mit dem Rohrabschnitt 24 im Bereich des abragenden Endes 42 des Rohrabschnittes 24, nämlich ganz wenig von diesem abragenden Ende 42 beabstandet, mit diesem verbunden, und zwar mittels einer Verschweißung 44. Die Verschweißung 44 ist beispielsweise mittels eines Laser-Schweißverfahrens hergestellt. Die Verschweißung 44 wird durch eine in Umfangsrichtung umlaufende Schweißnaht gebildet.
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Die Breite dieser Schweißnaht der Verschweißung 44, also deren Erstreckung in axialer Richtung des Rohrabschnittes 24 gesehen, sollte kleiner sein als 0,2 mm, sie beträgt vorliegend beispielhaft ungefähr 0,3 mm, die Tiefe der Schweißnaht der Verschweißung 44, also deren Erstreckung in radialer Richtung des Rohrabschnittes 24 gesehen, sollte ebenfalls kleiner sein als ungefähr 0,2 mm, sie beträgt vorliegend beispielhaft ungefähr 0,3-0,4 mm. Der Bereich, in dem der Heißgassensor 12 mit dem Rohrabschnitt 24 verbunden ist, also die Verschweißung 44, ist in axialer Richtung des Rohrabschnittes 24 gesehen ungefähr 3-15 mm, vorliegend beispielhaft 6-9 mm von der Auflagefläche 28 des Befestigungsabschnitts 26 entfernt. Dieser Abstand ist in 2 durch einen Doppelpfeil mit dem Bezugszeichen 46 bezeichnet.
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Man erkennt, dass in der gezeigten Ruhelage der Sensoranordnung 10 der Heißgassensor 12 relativ zum Rohrabschnitt 24 koaxial angeordnet ist, wobei ein Außendurchmesser des Heißgassensors 12 etwas geringer ist als ein Innendurchmesser des Rohrabschnittes 24. Auf diese Weise wird ein Spalt 48 gebildet zwischen dem Heißgassensor 12 und dem Rohrabschnitt 24, der so bemessen ist, dass der Heißgassensor 12 mit seiner Außenseite die Innenseite des Rohrabschnittes 24 bei auftretenden Vibrationen bereichsweise berührt. Bei einem ungefähren Innendurchmesser des Rohrabschnittes 24 von ca. 5 mm beträgt die Weite des Spalts 48 im Bereich der Verschweißung 44 vorzugsweise maximal 50 µm, stärker vorzugsweise liegt sie im Bereich von 35-50 µm. Außerhalb der Verschweißung 44 sollte die Weite des Spalts 48 insgesamt kleiner sein als 150 µm. Die Weite wird in 2 durch Pfeile 50 bezeichnet. Eine Wanddicke des Rohrabschnittes 24 sollte kleiner sein als ungefähr 0,5 mm, vorliegend beträgt sie beispielhaft ungefähr 0,2-0,5 mm. Sie ist in 2 durch Pfeile 52 bezeichnet.
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Man erkennt aus den Figuren, dass der Heißgassensor 12 in der dargestellten Einbaulage zum Abgasrohr 16 hin aus dem Rohrabschnitt 24 heraussteht und so in das Innere 36 des Abgasrohrs 16, welches einen Heißgas führenden Bereich darstellt, hineinragt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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